Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum vakuumdichten Verbinden von zwei Körpern, insbesondere einem Quarz- und einem Metallkörper, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 4 sowie eine Epitaxieanlage, in der die Verbindungsvorrichtung zum Einsatz kommen kann.
Die Erfindung findet beispielsweise in Epitaxieanlagen Anwendung, in der ein Quarzrohr oder der Quarzbehälter zur Aufnahme eines zu beschichtenden Guts, beispielsweise zu beschichtender Wafer, angeordnet ist. Das zu bedampfende Gut wird mittels eines Quarzbootes an einer Seite des Quarzrohrs in dieses über eine vakuumdicht abschließbare Schleuse eingeführt. An der anderen Seite ist das Quarzrohr beispielsweise über ein Metallgehäuse an eine Vakuumpumpeinrichtung vakuumdicht angeschlossen. Da in dem Quarzrohr Temperaturen zwischen 500 und 800°C vorliegen können und dieses ferner unter einem sehr niedrigen Unterdruck (z. B. 10-10 hPa) stehen kann, müssen an solche Quarz-Metall-Verbindungen hohe, insbesondere vakuumtechnische Anforderungen gestellt werden, die zu aufwendigen und teuren Verbindungen führen.
In dem Fachbuch "Theorie und Praxis der Vakuumtechnik" von Wutz, Adam, Walcher, Vieweg und Sohn, Braunschweig, Aufl. 1982, S. 478-479 ist eine Verbindung eines Glasrohres mit einem Metallrohr offenbart. Das Glasrohr ist an einem Ende in das Metallrohr eingesteckt und mittels einer das Glasrohr umfassenden Schraube mit dem Metallrohr verbunden. Zwei O-Ringe dienen der Abdichtung. Allerdings ist diese Verbindung nur zum Anschließen von Vakuummeßröhren aus Glas an Metallapparaturen geeignet. Bei Temperaturen von 500°C bis 800°C und einem sehr niedrigen Unterdruck in dem Glasrohr dichtet diese Verbindung nicht mehr zuverlässig ab. Darüber hinaus sind keine Vorkehrungen getroffen, zu verhindern, daß das Glasrohr bei starker Erwärmung mit dem Metallrohr in Berührung treten kann.
Auf S. 478 desselben Fachbuchs ist eine Flanschverbindung zwischen zwei Rohren offenbart, die eine Doppeldichtung mit einem Zwischenkanal verwendet, der evakuierbar ist. Dazu verlaufen zwischen den Flanschen zwei Ringkammern, in denen jeweils ein O-Ring eingelegt ist. Zwischen den O-Ringen verläuft der evakuierbare Zwischenkanal.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Verbinden von zwei Körpern unterschiedlicher Materialien bereitzustellen, die aus wenigen Komponenten besteht, leicht montier- und demontierbar ist und auch bei großen Temperaturunterschieden und sehr niedrigen Drücken eine große Dichtfähigkeit besitzt.
Die Erfindung löst dieses technische Problem durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum vakuumdichten Verbinden von zwei Körpern unterschiedlicher Materialien, insbesondere eines Quarz- und eines Metallkörpers, ausgebildet, die jeweils einen im wesentlichen rohrförmigen Endabschnitt aufweisen, wobei im verbundenen Zustand der rohrförmige Endabschnitt des ersten Körpers den Endabschnitt des zweiten Körpers wenigstens teilweise umgibt. Ferner ist wenigstens ein Zwischenkanal zwischen den rohrförmigen Endabschnitten ausgebildet, der von zwei Dichtringen abgedichtet ist. Der Zwischenkanal ist mit einer Absaugeinrichtung verbunden, die das von den Dichtringen durchgelassene Gas aus dem Zwischenkanal abführt.
Um eine bessere Dichtwirkung zu erzielen, verläuft wenigstens eine erste Druckeinrichtung (90) im verbundenen Zustand wenigstens teilweise zwischen den beiden rohrförmigen Endabschnitten, wobei eine der beiden Dichtringe im verbundenen Zustand zwischen den rohrförmigen Endabschnitten und der Druckeinrichtung eingequetscht ist. Ein erster nachgiebiger Abstandshalter ist zwischen der ersten Druckeinrichtung und dem Endabschnitt des zweiten Körpers angeordnet, um zu verhindern, daß die beiden Körper sich bei stark unterschiedlichen Temperaturen berühren. Radiale Ausdehnungen der beiden Endabschnitte werden somit von dem nachgiebigen Abstandshalter kompensiert.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung bildet eine Aussparung in der ersten Druckeinrichtung den Zwischenkanal.
Eine alternative Ausführungsform enthält anstelle des Zwischenkanals eine erste Druckeinrichtung, die im verbundenen Zustand wenigstens teilweise zwischen den beiden rohrförmigen Endabschnitten verläuft. Eine erste Dichtung ist derart angeordnet, daß sie im verbundenen Zustand zwischen den rohrförmigen Endabschnitten und der Druckeinrichtung eingequetscht ist. Ein erster nachgiebiger Abstandshalter ist zwischen der ersten Druckeinrichtung und dem Endabschnitt des zweiten Körpers angeordnet.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Um die geforderte Dichtfähigkeit der Verbindung zu erzielen, ist eine zweite Druckeinrichtung vorgesehen, die im verbundenen Zustand wenigstens teilweise zwischen der ersten Druckeinrichtung und dem Endabschnitt des zweiten Körpers verläuft und die die zweite Dichtung im Zusammenspiel mit der ersten Druckeinrichtung sowie dem Endabschnitt des zweiten Körpers einquetscht. Auf diese Weise ist sowohl die erste als auch die zweite Dichtung bezüglich der zu verbindenden rohrförmigen Endabschnitte einquetschbar, wodurch die angestrebte Abdichtfähigkeit erzielt wird.
Damit sichergestellt ist, daß der zweite Körper nicht mit den Druckeinrichtungen und dem ersten Körper in Verbindung treten kann, ist ein zweiter nachgiebiger Abstandshalter zwischen dem Endabschnitt des zweiten Körpers und der zweiten Drukkeinrichtung angeordnet.
Zweckmäßigerweise sind die Abstandshalter jeweils in einer entsprechenden ringförmigen Ausnehmung der jeweiligen Druckeinrichtung eingelegt. Eine dritte Dichtung, die zwischen der ersten Druckeinrichtung und dem Endabschnitt des ersten Körpers angeordnet ist, verbessert weiter die Dichtfähigkeit der Verbindungsvorrichtung :
Als Material für die Abstandshalter kann z. B. Polytetrafluoräthylen verwendet werden.
Eine besonders einfache Montage und Demontage der Verbindungsvorrichtung wird dadurch erreicht, daß die erste und zweite Druckeinrichtung im wesentlichen L-förmig ausgebildet sind, wobei der erste Schenkel der ersten Druckeinrichtung wenigstens teilweise zwischen den Endabschnitten der zu verbindenden Körper verläuft und der zweite Schenkel die Stirnfläche des Endabschnitts des ersten Körpers wenigstens teilweise umgibt, und wobei der erste Schenkel der zweiten Druckeinrichtung wenigstens teilweise zwischen dem ersten Schenkel der ersten Druckeinrichtung und dem Endabschnitt des zweiten Körpers verläuft und der zweite Schenkel der zweiten Druckeinrichtung wenigstens teilweise den zweiten Schenkel der ersten Druckeinrichtung umgibt.
Zweckmäßigerweise sind die erste und/oder zweite Druckeinrichtung mit dem ersten Körper verschraubbar. Als Dichtungen werden zweckmäßigerweise O-Ringe verwendet.
Die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung ist insbesondere für eine Epitaxieanlage mit einem unter niedrigem Druck stehenden und hohen Temperaturen ausgesetzten Quarzrohr, das insbesondere zur Aufnahme von zu beschichtenden Mafern dient, geeignet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.
Die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung kann als Quetschverbindung angesehen werden, die in der Figur allgemein mit 10 bezeichnet ist. Die Figur zeigt im Querschnitt die Quetschverbindung 10, wie sie z. B. in einer nicht dargestellten Epitaxieanlage, beispielsweise zur Beschichtung von Wafern, verwendet werden kann. In solchen Epitaxieanlagen wird beispielsweise ein Quarzrohr verwendet, von dem lediglich der rohrförmige Endabschnitt 20 dargestellt ist. Das Quarzrohr ist an einer Seite beispielsweise mit einer vakuumdicht verschließbaren Schleuse abgeschlossen, durch die mit Hilfe eines Quarzbootes zu beschichtende Wafer in das Quarzrohr beschickbar sind. In dem Quarzrohr herrscht ein sehr niedriger Druck von beispielsweise 10-10 hPa. An den rohrförmigen Endabschnitt 20 ist das Quarzrohr mit einem metallischen Gehäuse 30 vakuumdicht verbunden. Um durch hohe Temperaturen in dem Quarzrohr, die zwischen 500 und 800°C liegen können, verursachte Längsausdehnungen des Quarzrohres aufnehmen zu können, ist der rohrförmige Endabschnitt 20 des Quarzrohres mit einem Faltenbalg 40 abgeschlossen, der das Quarzrohr beispielsweise mit einer Ultrahochvakuumpumpeneinheit über einen Rohransatz mit einem Flansch 50 verbinden. Damit der Faltenbalg 40 frei von Querkräften ist, ist das Gehäuse 30 über mehrere Laschen 60 an dem Gehäuseflansch 50 der Epitaxieanlage befestigt. Wie die Figur zeigt, liegt der rohrförmige Endabschnitt 20 über einen Anschlagrings 80 an dem Faltenbalg 40 auf. Bei dem Anschlagring handelt es sich beispielsweise um einen PTFE- (Polytetrafluoräthylen-) Ring.
Der rohrförmige Endabschnitt 20 des Quarzrohres ist, wie die Figur zeigt, in einen metallischen Rohransatz 30 eingesteckt. Der metallische Rohransatz 30 weist im wesentlichen einen L-förmigen Querschnitt auf, wobei der quer zum Endabschnitt 20 verlaufende Schenkel 32 des Rohransatzes 30 in einem geringeren Abstand zum Endabschnitt 20 angeordnet ist als der parallel zum Endabschnitt 20 verlaufende Schenkel 34. Der Schenkel 32 des Rohransatzes 30 erstreckt sich über den rohrförmigen Endabschnitt 20 hinaus und bildet einen Kragen, innerhalb dessen der Endabschnitt des Faltenbalgs 40 einliegt. Der längliche Schenkel 34 ist an seiner Stirnfläche 36 flanschartig verbreitert und bildet mit dem Schenkel 32 eine Ringnut, in der eine ringförmige Wasserkammer 180 angeordnet ist, die mit einem Kühlwasseranschluß 190 zur Kühlung der Quetschverbindung 10 verbunden ist. Ein derster, im wesentlichen L-förmiger Druckring 90, beispielsweise aus Stahl, ist zwischen dem rohrförmigen Endabschnitt 20 und dem Schenkel 34 des metallischen Rohransatz 30 eingesetzt. Der Druckring 90 weist im wesent lichen einen längeren, parallel zum Endabschnitt 20 verlaufenden Schenkel 92 auf, der sich bis zum unteren Schenkel 32 des Rohransatzes 30 erstreckt und auf diesem aufsitzt. Der Schenkel 32 des Ansatzrohres 30 ist beispielsweise in Richtung des rohrförmigen Endabschnitts 20 derart abgeschrägt, daß er zusammen mit dem Endabschnitt 20 beispielsweise eine keilförmige Umlaufnut bildet, in die ein O-Ring 100 eingesetzt ist. Im verbundenen Zustand preßt der Schenkel 92 des Druckrings 90 den O-Ring 100 in die keilförmige Umlaufnut ein. Damit bei stark unterschiedlichen Temperaturen das Quarzrohr nicht mit dem Druckring 90 in Berührung treten kann und möglicherweise zerbricht, ist in den Schenkel 92 des Druckrings 90 eine ringförmige Aussparung ausgenommen, in die ein nachgiebiger Abstandshalter 110 eingelegt ist. Auch der Abstandshalter 110 kann aus Polytetrafluoräthylen bestehen. Der Druckring 90 weist ferner einen senkrecht zum rohrförmigen Endabschnitt 20 verlaufenden Schenkel 94 auf, der in diesem Beispiel vollständig die flanschartige Stirnseite 36 des metallischen Rohransatzes 30 abdeckt. Der flanschartige Schenkel 34 ist an der zum rohrförmigen Endabschnitt 20 weisenden Richtung abgeschrägt und bildet im verbundenen Zustand mit den beiden aneinanderstoßenden Schenkeln 94 und 92 des Druckrings 90 einen Preßsitz für einen weiteren Dichtring 120. Um die Dichtfähigkeit der erfindungsgemäßen Quetschverbindung 10 zu verbessern, ist in den Schenkel 92 des Druckrings 90 eine weitere ringförmige Aussparung vorgesehen, die einen sogenannten Zwischenkanal 130 bildet, der von dem rohrförmigen Endabschnitt 20 begrenzt wird. Der Zwischenkanal 130 ist über einen Stutzen 140 mit einer nicht dargestellten Absaugeinrichtung verbunden, die zum einen die aus dem Quarzrohr in den Zwischenkanal 130 entweichenden Gase und zum anderen die über die Dichtung 150 eintretenden Gase absaugt. Hierbei hat der Zwischenkanal 130 die Funktion einer Druckstufe zur Erzielung eines UHV-Drucks im Quarzrohr. Der Zwischenkanal 130 wird zum einen durch die Dichtung 100 und zum anderen durch eine Dichtung 150 abgedichtet. Wie in der Figur dargestellt ist, weist der längliche Schenkel 92 des Druckrings 90 ein stufenartiges Profil parallel zur Längsachse des Quarzrohres auf, das beginnend vom Schenkel 94 einen ersten Abschnitt 96 aufweist, dessen Innendurchmesser größer ist als der Innendurchmesser des sich daran anschließenden Abschnitts 95. Der Abschnitt 95 bildet deshalb einen stufenartigen Vorsprung mit Bezug auf den Abschnitt 96, der im wesentlichen sich bis zum Endabschnitt 20 erstreckt, diesen aber nicht berührt. Der Schenkelabschnitt 95 ist derart abgeschrägt, daß er zusammen mit dem rohrförmigen Endabschnitt 20 eine im wesentlichen keilförmige Umlaufnut bildet, in die ein O-Ring 150 eingelegt ist. Ein weiterer Druckring 160 ist in den Freiraum zwischen dem Abschnitt 96 des Schenkels 92 des Druckrings 90 und dem rohrförmigen Endabschnitt 20 eingesetzt. Der Druckring 160 ist ebenfalls L-förmig ausgebildet, wobei der kürzere, parallel zum Endabschnitt 20 verlaufende Schenkel 162 zwischen dem Abschnitt 96 des Schenkels 92 und dem Endabschnitt 20 angeordnet ist, wohingegen der längere Schenkel 164 des Druckrings 160 vollständig den Schenkel 94 des Druckrings 90 abdeckt. Um zu vermeiden, daß bei extrem unterschiedlichen Temperaturen der glasförmige Endabschnitt 20 mit dem Druckring 160 in Berührung kommt, ist in dem Schenkel 162 eine Ringnut ausgenommen, in der ein weiterer nachgiebiger Abstandshalter 170 eingelegt ist. Zueinander fluchtende Bohrungen sind in den Schenkel 164 des Druckrings 160, den Schenkel 94 des Druckrings 90 und in den flanschförmigen Schenkel 34 des Metallgehäuses 30 ausgenommen. Mittels Schrauben, die durch diese Bohrungen führen, kann die Quetschverbindung 10 schnell und einfach montiert und demontiert werden.
Dank der Erfindung ist es möglich, mit wenigen und einfach geformten Komponenten eine Quetschverbindung bereitzustellen, die bei großen Temperaturunterschieden (zwischen 500°C und 800°C) und extrem niedrigen Drücken (z. B. 10-10 hPa) eine hohe und zuverlässige Dichtfähigkeit aufweist. Dazu sind beispielsweise lediglich die beiden im wesentlichen L-förmigen Druckringe aus Stahl 90,160 vorgesehen, die im zusammengesetzten Zustand die zwischen Druckringen und Rohr angeordneten Dichtungen 100, 150 und 120 gegen das Gehäuse 30 verquetschen and somit eine hohe Abdichtung gewährleisten. Darüber hinaus ist in dem Druckring 90 ein Zwischenkanal 130 ausgenommen, an den die Absaugeinrichtung angeschlossen ist, um ausströmende Gase absaugen zu können.